mirror of
https://github.com/gonum/gonum.git
synced 2025-10-06 15:47:01 +08:00
spatial/r3: add Mat type
This commit is contained in:

committed by
Dan Kortschak

parent
c447d9b9f9
commit
538cdf8fac
250
spatial/r3/mat.go
Normal file
250
spatial/r3/mat.go
Normal file
@@ -0,0 +1,250 @@
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// Copyright ©2021 The Gonum Authors. All rights reserved.
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// Use of this source code is governed by a BSD-style
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// license that can be found in the LICENSE file.
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package r3
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import (
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"unsafe"
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"gonum.org/v1/gonum/blas/blas64"
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"gonum.org/v1/gonum/mat"
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)
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const (
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badDim = "bad matrix dimensions"
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badIdx = "bad matrix index"
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)
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// Mat represents a 3×3 matrix. Useful for rotation matrices and such.
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type Mat struct {
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data *[3][3]float64
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}
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var _ mat.Matrix = (*Mat)(nil)
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// NewMat returns a new 3×3 matrix Mat type and populates its elements
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// with values passed as argument in row-major form. If val argument
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// is nil then NewMat returns a matrix filled with zeros.
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func NewMat(val []float64) *Mat {
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if len(val) != 9 {
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if val == nil {
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return &Mat{data: new([3][3]float64)}
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}
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panic(badDim)
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}
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m := Mat{}
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m.setBackingSlice(val)
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return &m
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}
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// Dims returns the number of rows and columns of this matrix.
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// This method will always return 3×3 for a Mat.
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func (m *Mat) Dims() (r, c int) { return 3, 3 }
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// At returns the value of a matrix element at row i, column j.
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// At expects indices in the range [0,2].
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// It will panic if i or j are out of bounds for the matrix.
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func (m *Mat) At(i, j int) float64 {
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return m.data[i][j]
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}
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// Set sets the element at row i, column j to the value v.
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func (m *Mat) Set(i, j int, v float64) {
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m.data[i][j] = v
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}
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// T returns the transpose of Mat. Changes in the receiver will be reflected in the returned matrix.
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func (m *Mat) T() mat.Matrix { return mat.Transpose{Matrix: m} }
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// RawMatrix returns the blas representation of the matrix with the backing data of this matrix.
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// Changes to the returned matrix will be reflected in the receiver.
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func (m *Mat) RawMatrix() blas64.General {
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return blas64.General{Rows: 3, Cols: 3, Data: m.backingSlice(), Stride: 3}
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}
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// Eye returns the 3×3 Identity matrix
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func Eye() *Mat {
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return &Mat{data: &[3][3]float64{
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{1, 0, 0},
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{0, 1, 0},
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{0, 0, 1},
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}}
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}
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// Scale multiplies the elements of a by f, placing the result in the receiver.
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//
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// See the mat.Scaler interface for more information.
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func (m *Mat) Scale(f float64, a mat.Matrix) {
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r, c := a.Dims()
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if r != 3 || c != 3 {
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panic(badDim)
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}
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for i := 0; i < 3; i++ {
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for j := 0; j < 3; j++ {
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m.Set(i, j, f*a.At(i, j))
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}
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}
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}
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// Performs matrix multiplication on v:
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// result = M * v
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func (m *Mat) MulVec(v Vec) Vec {
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return Vec{
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X: v.X*m.At(0, 0) + v.Y*m.At(0, 1) + v.Z*m.At(0, 2),
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||||||
|
Y: v.X*m.At(1, 0) + v.Y*m.At(1, 1) + v.Z*m.At(1, 2),
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||||||
|
Z: v.X*m.At(2, 0) + v.Y*m.At(2, 1) + v.Z*m.At(2, 2),
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}
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}
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// Performs transposed matrix multiplication on v:
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// result = Mᵀ * v
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func (m *Mat) MulVecTrans(v Vec) Vec {
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return Vec{
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||||||
|
X: v.X*m.At(0, 0) + v.Y*m.At(1, 0) + v.Z*m.At(2, 0),
|
||||||
|
Y: v.X*m.At(0, 1) + v.Y*m.At(1, 1) + v.Z*m.At(2, 1),
|
||||||
|
Z: v.X*m.At(0, 2) + v.Y*m.At(1, 2) + v.Z*m.At(2, 2),
|
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}
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}
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// Skew returns the 3×3 skew symmetric matrix (right hand system) of v.
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// ⎡ 0 -z y⎤
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// Skew({x,y,z}) = ⎢ z 0 -x⎥
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// ⎣-y x 0⎦
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func Skew(v Vec) (M *Mat) {
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return &Mat{data: &[3][3]float64{
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{0, -v.Z, v.Y},
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{v.Z, 0, -v.X},
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{-v.Y, v.X, 0},
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}}
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}
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// Mul takes the matrix product of a and b, placing the result in the receiver.
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// If the number of columns in a does not equal 3, Mul will panic.
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func (m *Mat) Mul(a, b mat.Matrix) {
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ra, ca := a.Dims()
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rb, cb := b.Dims()
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switch {
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||||||
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case ra != 3:
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panic(badDim)
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||||||
|
case cb != 3:
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||||||
|
panic(badDim)
|
||||||
|
case ca != rb:
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||||||
|
panic(badDim)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
if ca != 3 {
|
||||||
|
// General matrix multiplication for the case where the inner dimension is not 3.
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t := mat.NewDense(3, 3, m.backingSlice())
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t.Mul(a, b)
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return
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}
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a00 := a.At(0, 0)
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||||||
|
b00 := b.At(0, 0)
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||||||
|
a01 := a.At(0, 1)
|
||||||
|
b01 := b.At(0, 1)
|
||||||
|
a02 := a.At(0, 2)
|
||||||
|
b02 := b.At(0, 2)
|
||||||
|
a10 := a.At(1, 0)
|
||||||
|
b10 := b.At(1, 0)
|
||||||
|
a11 := a.At(1, 1)
|
||||||
|
b11 := b.At(1, 1)
|
||||||
|
a12 := a.At(1, 2)
|
||||||
|
b12 := b.At(1, 2)
|
||||||
|
a20 := a.At(2, 0)
|
||||||
|
b20 := b.At(2, 0)
|
||||||
|
a21 := a.At(2, 1)
|
||||||
|
b21 := b.At(2, 1)
|
||||||
|
a22 := a.At(2, 2)
|
||||||
|
b22 := b.At(2, 2)
|
||||||
|
m.data[0][0] = a00*b00 + a01*b10 + a02*b20
|
||||||
|
m.data[0][1] = a00*b01 + a01*b11 + a02*b21
|
||||||
|
m.data[0][2] = a00*b02 + a01*b12 + a02*b22
|
||||||
|
m.data[1][0] = a10*b00 + a11*b10 + a12*b20
|
||||||
|
m.data[1][1] = a10*b01 + a11*b11 + a12*b21
|
||||||
|
m.data[1][2] = a10*b02 + a11*b12 + a12*b22
|
||||||
|
m.data[2][0] = a20*b00 + a21*b10 + a22*b20
|
||||||
|
m.data[2][1] = a20*b01 + a21*b11 + a22*b21
|
||||||
|
m.data[2][2] = a20*b02 + a21*b12 + a22*b22
|
||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
// CloneFrom makes a copy of a into the receiver m.
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// Mat expects a 3×3 input matrix.
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func (m *Mat) CloneFrom(a mat.Matrix) {
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||||||
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r, c := a.Dims()
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||||||
|
if r != 3 || c != 3 {
|
||||||
|
panic(badDim)
|
||||||
|
}
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||||||
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for i := 0; i < 3; i++ {
|
||||||
|
for j := 0; j < 3; j++ {
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||||||
|
m.Set(i, j, a.At(i, j))
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|
}
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|
}
|
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|
}
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// Sub subtracts the matrix b from a, placing the result in the receiver.
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|
// Sub will panic if the two matrices do not have the same shape.
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func (m *Mat) Sub(a, b mat.Matrix) {
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||||||
|
if r, c := a.Dims(); r != 3 || c != 3 {
|
||||||
|
panic(badDim)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
if r, c := b.Dims(); r != 3 || c != 3 {
|
||||||
|
panic(badDim)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
m.data[0][0] = a.At(0, 0) - b.At(0, 0)
|
||||||
|
m.data[0][1] = a.At(0, 1) - b.At(0, 1)
|
||||||
|
m.data[0][2] = a.At(0, 2) - b.At(0, 2)
|
||||||
|
m.data[1][0] = a.At(1, 0) - b.At(1, 0)
|
||||||
|
m.data[1][1] = a.At(1, 1) - b.At(1, 1)
|
||||||
|
m.data[1][2] = a.At(1, 2) - b.At(1, 2)
|
||||||
|
m.data[2][0] = a.At(2, 0) - b.At(2, 0)
|
||||||
|
m.data[2][1] = a.At(2, 1) - b.At(2, 1)
|
||||||
|
m.data[2][2] = a.At(2, 2) - b.At(2, 2)
|
||||||
|
}
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||||||
|
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|
// Add adds a and b element-wise, placing the result in the receiver. Add will panic if the two matrices do not have the same shape.
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func (m *Mat) Add(a, b mat.Matrix) {
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||||||
|
if r, c := a.Dims(); r != 3 || c != 3 {
|
||||||
|
panic(badDim)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
if r, c := b.Dims(); r != 3 || c != 3 {
|
||||||
|
panic(badDim)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
m.data[0][0] = a.At(0, 0) + b.At(0, 0)
|
||||||
|
m.data[0][1] = a.At(0, 1) + b.At(0, 1)
|
||||||
|
m.data[0][2] = a.At(0, 2) + b.At(0, 2)
|
||||||
|
m.data[1][0] = a.At(1, 0) + b.At(1, 0)
|
||||||
|
m.data[1][1] = a.At(1, 1) + b.At(1, 1)
|
||||||
|
m.data[1][2] = a.At(1, 2) + b.At(1, 2)
|
||||||
|
m.data[2][0] = a.At(2, 0) + b.At(2, 0)
|
||||||
|
m.data[2][1] = a.At(2, 1) + b.At(2, 1)
|
||||||
|
m.data[2][2] = a.At(2, 2) + b.At(2, 2)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
// VecRow returns the elements in the ith row of the receiver.
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func (m *Mat) VecRow(i int) Vec {
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||||||
|
if i > 2 {
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||||||
|
panic(badIdx)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
return Vec{X: m.At(i, 0), Y: m.At(i, 1), Z: m.At(i, 2)}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
// VecCol returns the elements in the jth column of the receiver.
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||||||
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func (m *Mat) VecCol(j int) Vec {
|
||||||
|
if j > 2 {
|
||||||
|
panic(badIdx)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
return Vec{X: m.At(0, j), Y: m.At(1, j), Z: m.At(2, j)}
|
||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
// setBackingSlice requires unsafe.
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||||||
|
func (m *Mat) setBackingSlice(vals []float64) {
|
||||||
|
m.data = (*[3][3]float64)(unsafe.Pointer(&vals[0]))
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
// backingSlice requires unsafe.
|
||||||
|
func (m *Mat) backingSlice() []float64 {
|
||||||
|
return (*[9]float64)(unsafe.Pointer(m.data))[:]
|
||||||
|
}
|
103
spatial/r3/mat_test.go
Normal file
103
spatial/r3/mat_test.go
Normal file
@@ -0,0 +1,103 @@
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// Copyright ©2021 The Gonum Authors. All rights reserved.
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// Use of this source code is governed by a BSD-style
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// license that can be found in the LICENSE file.
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package r3
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import (
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"math"
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"testing"
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||||||
|
|
||||||
|
"golang.org/x/exp/rand"
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||||||
|
|
||||||
|
"gonum.org/v1/gonum/mat"
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)
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|
|
||||||
|
func TestMatScale(t *testing.T) {
|
||||||
|
const tol = 1e-12
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|
rnd := rand.New(rand.NewSource(1))
|
||||||
|
for tc := 0; tc < 20; tc++ {
|
||||||
|
v := rnd.Float64()
|
||||||
|
a := randomMat(rnd)
|
||||||
|
gotmat := NewMat(nil)
|
||||||
|
gotmat.Scale(v, a)
|
||||||
|
for iv := range a.data {
|
||||||
|
i := iv / 3
|
||||||
|
j := iv % 3
|
||||||
|
expect := v * a.At(i, j)
|
||||||
|
got := gotmat.At(i, j)
|
||||||
|
if math.Abs(got-expect) > tol {
|
||||||
|
t.Errorf(
|
||||||
|
"case %d: got=%v, want=%v",
|
||||||
|
tc, got, expect)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
func TestMatCloneFrom(t *testing.T) {
|
||||||
|
rnd := rand.New(rand.NewSource(1))
|
||||||
|
for tc := 0; tc < 20; tc++ {
|
||||||
|
a := randomMat(rnd)
|
||||||
|
gotmat := NewMat(nil)
|
||||||
|
gotmat.CloneFrom(a)
|
||||||
|
if !mat.Equal(a, gotmat) {
|
||||||
|
t.Error("Clonefrom fail")
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
func TestSkew(t *testing.T) {
|
||||||
|
rnd := rand.New(rand.NewSource(1))
|
||||||
|
for tc := 0; tc < 20; tc++ {
|
||||||
|
v1 := randomVec(rnd)
|
||||||
|
v2 := randomVec(rnd)
|
||||||
|
sk := Skew(v1)
|
||||||
|
got := sk.MulVec(v2)
|
||||||
|
expect := Cross(v1, v2)
|
||||||
|
if got != expect {
|
||||||
|
t.Error("r3.Cross(v1,v2) not match with r3.Skew(v1)*v2")
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
func TestTranspose(t *testing.T) {
|
||||||
|
rnd := rand.New(rand.NewSource(1))
|
||||||
|
for tc := 0; tc < 20; tc++ {
|
||||||
|
d := mat.NewDense(3, 3, nil)
|
||||||
|
m := randomMat(rnd)
|
||||||
|
d.CloneFrom(m)
|
||||||
|
mt := m.T()
|
||||||
|
dt := d.T()
|
||||||
|
if !mat.Equal(mt, dt) {
|
||||||
|
t.Error("Dense.T() not equal to r3.Mat.T()")
|
||||||
|
}
|
||||||
|
vd := mat.NewVecDense(3, nil)
|
||||||
|
v := randomVec(rnd)
|
||||||
|
vd.SetVec(0, v.X)
|
||||||
|
vd.SetVec(1, v.Y)
|
||||||
|
vd.SetVec(2, v.Z)
|
||||||
|
got := m.MulVecTrans(v)
|
||||||
|
vd.MulVec(dt, vd)
|
||||||
|
if vd.AtVec(0) != got.X || vd.AtVec(1) != got.Y || vd.AtVec(2) != got.Z {
|
||||||
|
t.Error("VecDense.MulVec(dense.T()) not equal to r3.Mat.MulVec(r3.Vec)")
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
func randomMat(rnd *rand.Rand) *Mat {
|
||||||
|
m := Mat{data: new([3][3]float64)}
|
||||||
|
for iv := 0; iv < 9; iv++ {
|
||||||
|
i := iv / 3
|
||||||
|
j := iv % 3
|
||||||
|
m.Set(i, j, (rnd.Float64()-0.5)*20)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
return &m
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
func randomVec(rnd *rand.Rand) (v Vec) {
|
||||||
|
v.X = (rnd.Float64() - 0.5) * 20
|
||||||
|
v.Y = (rnd.Float64() - 0.5) * 20
|
||||||
|
v.Z = (rnd.Float64() - 0.5) * 20
|
||||||
|
return v
|
||||||
|
}
|
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